Kraft och rörelse : En interventionsstudie om hur variationsmönster kan användas för att utveckla elevers förståelse för Newtons tredje lag

Kraft och rörelse

En interventionsstudie om hur variationsmönster kan

användas för att utveckla elevers förståelse för Newtons

tredje lag

KURS: Examensarbete för grundlärare 4–6, 15 hp

PROGRAM: Grundlärarprogrammet med inriktning mot arbete i grundskolans årskurs 4–6

FÖRFATTARE: Malin Holmbom

EXAMINATOR: Per Askerlund

JÖNKÖPING UNIVERSITY Examensarbete för grundlärare 4–6, 15 hp

School of Education and Communication Grundlärarprogrammet med inriktning mot arbete i grundskolans årskurs 4–6 VT20

SAMMANFATTNING / ABSTRACT

___________________________________________________________________________________________________________ Malin Holmbom

Kraft och rörelse

En interventionsstudie om hur variationsmönster kan användas för att utveckla elevers förståelse för Newtons tredje lag

Force and motion

An intervention study on how to develop students’ understanding of Newton’s third law, using patterns of variation

Antal sidor: 36

___________________________________________________________________________________________________________ Det här examensarbetet bygger vidare på en

litteraturstudie som jag var med och genomförde, i vilken forskning om svårigheter med att förstå Newtons tredje lag söktes fram och jämfördes. I syfte att undersöka hur fysikundervisning om detta ämnesområde kan utformas med ett variationsteoretiskt perspektiv genomfördes en interventionsstudie inspirerad av en learning study. Studiens lärandeobjekt var att utveckla elevens förmåga att beskriva hur kraft och motkraft förändrar objekts rörelse i vardagssituationer. För att uppfylla arbetets syfte besvarades forskningsfrågorna: Vilken kunskap och förståelse kring kraft och rörelse visade eleverna före och efter undervisning? Vad behöver eleverna urskilja för att förstå interventionsstudiens lärandeobjekt? Vilka variationsmönster möjliggör urskiljande av lärandeobjektets kritiska aspekter? Urvalet bestod av 41 elever i årskurs 6, fördelade på tre klasser. Materialinsamlingen bestod av för- och eftertest samt analys av tre genomförda lektioner. De kritiska aspekterna som framkom i resultatet var: urskilja att rörelse förklaras genom en obalans av krafter, urskilja att krafter uppstår i interaktionen mellan två objekt, urskilja att ett av objekten kan utgöras av underlaget (till exempel en väg), urskilja jämlikhet mellan objekten människa och ”icke-levande” föremål i kraftsituationer samt urskilja att friktion är en typ av kraft. De variationsmönster som skapades var kontrast, separation och generalisering. I jämförelsen mellan för- och eftertest framkom att eleverna utvecklat sin kunskap och förståelse för lärandeobjektet.

This thesis is further based on a literature study, in which I took part, where research on difficulties in understanding Newton's third law was compared. In order to investigate how physics teaching on this subject can be designed with a variation theory perspective, an intervention study inspired by a learning study was conducted. The study's object of learning was to develop the student's ability to describe how action and reaction change the object's motion in everyday situations. To fulfill the purpose of the work, the research questions were: What knowledge and understanding about force and motion did the students show pre- and post-teaching? What do the students need to discern in order to understand the object of learning of the intervention study? What patterns of variation enable the discernment of the learning object's critical aspects? The sample consisted of 41 students in year 6, divided into three classes. The data collection consisted of pre- and post-testing and analysis from three lessons. The critical aspects that emerged in the result were: discern that motion is explained by an

imbalance of forces, discern that forces arise in interaction between two objects, discern that one of the objects can be the ground (for example a road), discern equality between the objects, human and "non-living”, in force situations and discern that friction is a type of force. Patterns of variation used were contrast, separation and generalization. The comparison

between pre- and post-tests revealed that the students developed their knowledge and understanding of the study’s object of learning.

_______________________________________________________________________________________________ SÖKORD: kraft, rörelse, Newtons tredje lag,

variationsteorin, learning study,åk 4–6

KEYWORDS: force, motion, Newton’s third law, variation theory, learning study, elementary school _______________________________________________________________________________________________

Innehållsförteckning

1. INLEDNING ... 1

2. BAKGRUND ... 2

2.1KRAFT OCH RÖRELSE ... 2

Newtons tredje lag ... 2

Friktionskraft och gravitationskraft ... 3

2.2TIDIGARE FORSKNING OM SVÅRIGHETER MED ATT FÖRSTÅ NEWTONS TREDJE LAG ... 3

Naiva uppfattningars påverkan ... 3

Kontextens påverkan ... 4

2.3VARIATIONSTEORIN ... 6

Lärandeobjektet ... 7

Kritiska aspekter ... 7

Variationsmönster ... 8

2.4TIDIGARE FORSKNING OM UNDERVISNING MED VARIATIONSTEORETISKT PERSPEKTIV ... 9

3. SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR ... 11

4. METOD OCH MATERIAL ... 12

4.1METODVAL ... 12

4.2URVAL ... 13

4.3MATERIALINSAMLING OCH ANALYS ... 14

Förtest ... 14

Lektionsdesign – det iscensatta lärandeobjektet ... 16

Eftertest ... 17 4.4TILLFÖRLITLIGHET ... 18 4.5FORSKNINGSETISKA ASPEKTER ... 18 5. RESULTAT ... 19 5.1FÖRTEST ... 19 Preciserat lärandeobjekt ... 19 Förtestresultat ... 20 Kritiska aspekter ... 21 5.2LEKTION 1 ... 23

Lektionsdesign - det iscensatta lärandeobjektet ... 23

Lektionsanalys ... 24

Det erfarna lärandeobjektet – lektion 1 ... 25

5.3LEKTION 2 ... 25

Lektionsanalys ... 25

Det erfarna lärandeobjektet – lektion 2 ... 26

5.4LEKTION 3 ... 26

Lektionsanalys ... 26

Det erfarna lärandeobjektet – lektion 3 ... 27

5.5EFTERTESTET – ELEVERNAS VISADE FÖRSTÅELSE EFTER UNDERVISNING ... 27

6. DISKUSSION ... 31

6.1METODDISKUSSION ... 31

6.2RESULTATDISKUSSION ... 32

Kritiska aspekter och variationsmönster ... 32

Undervisning om Newtons tredje lag ... 33

6.3STUDIENS RELEVANS FÖR YRKESVERKSAMHETEN ... 35

REFERENSER ... 37

BILAGOR ... 40

1.SAMTYCKESBLANKETT ... 40

2.FÖRTEST ... 41

1

1. Inledning

Kraft och rörelse behandlas inom det fysikområde som kallas den klassiska mekaniken (McCall, 2011). Kunskapen som finns på området har förfinats under lång tid och utvecklats genom stora bedrifter (Crowe, 2007). Crowe framhåller att mekanikens betydelse varit fundamental för fysikutvecklingen och att dess betydelse inte kan överdrivas. Inom ramen för mekaniken formulerade Isac Newton sina teorier, vilka han beskrev med rörelselagar. Rörelselagarna är fortfarande högaktuella, då fysiker än idag applicerar dem i sitt arbete (McCall, 2011). Det som beskrivs i rörelselagarna kan vara svårt att förstå eftersom det kolliderar med människors uppfattning om dessa fenomen i vardagen (Viennot, 2002). Ett stort antal studier har påvisat detta hos studenter från olika länder, även på universitetsnivå (Angell et al., 2011). En av fysikens mest missförstådda lagar är enligt McCall (2011), Newtons tredje rörelselag.

Det här examensarbetet grundar sig på en litteraturstudie som jag var med och genomförde (Holmbom & Werneskog, 2019). Syftet var att jämföra vad forskning visar om svårigheter med att förstå Newtons tredje lag. I resultatet av litteraturstudien framkommer bland annat att svårigheterna kan bero på naiva uppfattningar och på kontexten. Detta beskrivs närmre i det här arbetets bakgrundskapitel. I majoriteten av studierna bestod urvalet av fysikstudenter på universitetsnivå. Eftersom det inte framkom någon forskning om mellanstadieelevers svårigheter med att förstå Newtons tredje lag är förhoppningen att den här studien ska bygga vidare och bidra med kunskap i det avseendet. Kraft och rörelse är en del av fysikkursplanens centrala innehåll. Kursplanens kommentarmaterial beskriver att undervisningen för årskurs 4–6 ska utgå från vardagshändelser samt att eleverna ska få använda alla sina sinnen i observationer och upplevelser av krafter (Skolverket, 2017a). Med detta som utgångspunkt syftar den här studien till att undersöka hur undervisning med ett variationsteoretiskt perspektiv kan utformas för att utveckla elevers förståelse för Newtons tredje lag. Metoden som används är en interventionsstudie inspirerad av en learning study. En learning study är uppbyggd i en cykliskt upprepande process och består av delarna: lärandeobjekt, förtest, planering och genomförande av lektioner samt eftertest (Hirsh, 2017). Resultatet från respektive del presenteras utifrån denna struktur och diskuteras sedan i relation till tidigare forskning och yrkesrelevans.

2

2. Bakgrund

Tack vare naturens komplexitet är det svårt att definiera ett begrepp som kraft på ett exakt sätt (Feynman et al., 1989). I en fysiklärobok beskrivs att kraft håller samman materia och kan ändra dess form, fart och rörelseriktning (Monthan, 2015). I vardagen uppfattas omvärldens materia som både vilande och i rörelse (Andersson, 2008). Hus står stadigt på marken, människor promenerar, bilar körs längs vägarna, regn faller, luft förflyttar sig som vind och månen roterar runt jorden. Andersson (2008) lyfter fram att naturvetare och filosofer i alla tider har intresserat sig för hur rörelse fungerar. Idéerna har utvecklats från Aristoteles syn på fritt fall som naturlig rörelse utan krav på vidare förklaring, till mekanikens beskrivning av naturlig rörelse som konstant fart längs en rät linje, där all annan rörelse förklaras med en obalans av krafter.

Newtons tredje lag

De tre rörelselagarna Isac Newton formulerade på 1600-talet utgör det mest väsentliga i den klassiska mekaniken och med modern terminologi lyder de (Andersson, 2008, s. 2):

Newtons första lag

Varje kropp förblir i vila eller rörelse med konstant fart längs en rät linje om den inte påverkas av en obalanserad kraft.

Newtons andra lag

F (kraft) = massa * acceleration Newtons tredje lag

Om en kropp påverkar en annan med en given kraft, återverkar den senare kroppen på den förra med en lika stor men motsatt riktad kraft.

N3 (Newtons tredje lag) beskriver att krafter alltid förekommer parvis i växelverkan och att dessa parvisa dragningar eller påskjutningar alltid är lika stora och i motsatt riktning (Andersson, 2008). Författaren ger följande två exempel: En fotbollsspelare sparkar en boll och påverkar den med en kraft. Bollen påverkar i sin tur foten med lika stor, motriktad kraft. En satellit utövar lika stor och motriktad dragningskraft på jorden som jorden utövar på satelliten. Detta exemplifierar växelverkan utan respektive med avstånd mellan kropparna. I avsnitt 2.2 som lyfter fram tidigare forskning används benämningarna

kraftparet, N3-kraftparet samt kraft och motkraft för detta fenomen. Centralt för Newtons

tredje lag är att krafter uppkommer i interaktionen mellan två olika kroppar och det finns minst fem viktiga principer (Brown & Clement, 1987):

3

1) En kropp kan inte erfara kraft i isolation. Det kan inte finnas en kraft på kropp A utan en kropp B som utövar kraften.

2) Kropp A i isolation kan inte utöva kraft, utan att det också finns en kropp B som utövar en kraft på kropp A.

3) När två kroppar interagerar är krafterna alltid lika stora, från A till B och från B till A.

4) Krafterna i kraftparet uppkommer och upphör exakt samtidigt, även om den ena upplevs mer aktiv. Till exempel utövas lika stor kraft åt båda håll när ett bowlingklot träffar en kägla.

5) I interaktionen mellan två kroppar, är kraften från A till B i exakt motstående riktning som från B till A.

Friktionskraft och gravitationskraft

Den nuvarande förståelsen är att det finns fyra grundläggande naturkrafter, nämligen gravitationskraft, svag kärnkraft, stark kärnkraft och elektromagnetisk kraft (Nave, 2014). Newtons klassiska mekanik beskriver dessa i vardagliga situationer och för mer extrema fall används kvantmekaniken. I den här studien fokuseras det till viss del på gravitationskraft och till största del på friktionskraft som är en typ av elektromagnetisk kraft. Elektromagnetisk kraft uppstår när två kroppars elektriskt laddade partiklar som finns i kropparnas ytskikt, kommer i kontakt med varandra (Feynman et al., 1989). Ett exempel på detta är en låda som glider eller vilar på ett lutande plan och påverkas av kontaktkraft (friktionskraft). Vid kontakt mellan två föremål uppstår normalkraft som hindrar föremål från att tränga in i varandra (Östklint et al., 2012). Gravitationskraft, även kallad tyngdkraft, är den attraherande kraft som kroppar utsätter varandra för, vilket ger upphov till det som kallas tyngd. Tack vare gravitationskraft hålls vi kvar på jorden, föremål faller till marken och månen hålls kvar i sin bana runt jorden.

2.2 Tidigare forskning om svårigheter med att förstå Newtons tredje lag

Naiva uppfattningars påverkan

I litteraturen är det vanligt att benämna elevers uppfattningar om vetenskapliga fenomen som naiva uppfattningar, missuppfattningar eller alternativa uppfattningar, då de grundar sig i tidigare erfarenheter och avviker från den vetenskapligt accepterade förklaringen (Höst & Schönborn, 2019). En vanlig naiv uppfattning som framkommer i flera studier med universitetsstudenter är att objekt har kraft som naturlig eller förvärvad egenskap (Bayraktar, 2009; Brown & Clement, 1987; Hestenes et al., 1992). Många studenter uppvisar även tron att kraften blir större desto starkare, tyngre, snabbare eller mer aktivt

4 objektet i fråga är, vilket kallas dominansprincipen (Hestenes et al., 1992). Brown och

Clement (1987) identifierar dessa uppfattningar hos majoriteten av fysikeleverna i fyra gymnasieklasser och det framkommer att eleverna inte uppfattar att krafter uppstår i

interaktionen mellan två objekt. Forskarna menar att den traditionella undervisningen är

ineffektiv då eftertestet inte visade upp någon nämnvärd förbättring i resultat. Enligt deras resonemang bör fokus i undervisningen ligga på interaktionen mellan objekten.

I en översiktsstudie av White (2006) framkommer att människor har en naiv uppfattning som kolliderar med Newtons tredje lag. Istället för att se krafter som jämlika och motsatta i riktning, betraktas det ena objektet som en ”aktiv agent”, vilken påverkar det andra objektet den ”passiva patienten”. I studien skulle deltagarna (både vuxna och barn) förutspå åt vilket håll ett objekt i konstant rörelse (patienten) ändrar riktning då det utsätts för en knuff (av agenten). De flesta förväntade sig att patienten skulle ändra riktning åt exakt det håll som den knuffades. I verkligheten blir den nya riktningen en kombination av både agentens knuff och patientens hastighet. I Whites (2006) översiktsstudie inkluderas också forskning från fältet phenomenal causality. Fältet studerar hur visuell perception påverkar människors upplevelse av orsak och verkan, nämligen att det ser ut som att det ena objektet orsakar att något händer det andra. Vid exempelvis en kollision mellan objekt A i rörelse och ett stillastående objekt B bortser människor från B:s inverkan på A.

Kontextens påverkan

Annan forskning har inriktats på att undersöka om förmågan att applicera Newtons tredje lag skiljer sig åt i olika kontexter. I en studie utgår Bao et al. (2002) från teorin att människor använder konceptuella förklaringsmodeller1 _{vid resonemang om fysikaliska} fenomen. I studien undersöks om olika förklaringsmodeller används vid olika kontexter genom att testa en kontext åt gången (massa, hastighet och ”pushing”2_{). Resultatet visar att} de flesta studenterna, oavsett utbildningsnivå, använder felaktiga förklaringsmodeller i kontexterna massa och hastighet. Däremot syns ett annat resultat i kontexten ”pushing”. De som hade haft ett års undervisning uppvisade en påbörjad utveckling mot större förståelse och inkluderade korrekta förklaringsmodeller i sina svar. Detta anser forskarna vara ett viktigt steg mot en fullständig förståelse. Enligt forskarna är resultaten troligen 1 _{En konceptuell förklaringsmodell beskrivs som en mental konstruktion som associeras med ett visst ämne/koncept,}

vilken en människa sedan använder för att begripa och förklara ämnet/konceptet (Bao et al. 2002).

5

bättre i ”pushing” eftersom det exemplet ofta används när N3 introduceras i undervisning samt att studenterna har egen erfarenhet av att bli tillbakaputtade när de puttar på något. Slutsatsen av studien är att den fysikaliska kontexten påverkar vilken förklaringsmodell som används och att undervisning kan utveckla studenters förklaringsmodell i en kontext, men inte i andra.

I en annan studie testades också förmågan att tolka N3 i vardagliga situationer i olika kontexter (Terry & Jones, 1986). I en av testuppgifterna var kontexten massa och en tecknad illustration visade två personer (A och B) på rullskridskor. Personerna vägde lika mycket och höll ett rep mellan sig. Eleverna skulle beskriva vad som händer då person A börjar dra. Majoriteten svarade rätt – att båda personerna skulle röra sig lika mycket mot varandra. I nästa exempel vägde den ena personen mer, och det visade sig att flera av eleverna hade svårt att resonera korrekt eftersom de trodde att bara den lättare personen skulle röra sig. I likhet med Bao et al. (2002) konstaterar Terry och Jones (1986) att exemplet där massan är lika stor hos båda objekten är vanligt när N3 introduceras i fysikundervisningen, och att bara en liten avvikelse från det välkända skapar problem. Forskarna anser att den tredje lagen borde betraktas som en viktig del när elevers förståelse för kraftbegreppet ska utvecklas och inte behandlas separat eller senare än Newtons första och andra lag.

I ytterligare en studie med kontexten statisk interaktion framkommer det att studenter använde två olika “implicit theories” för att förklara vad som händer när ett objekt vilar på ett annat (Montanero et al., 2002). För det första, att det övre objektet utövar sin tyngdkraft på det undre objektet, vilket forskarna härleder till den undervisning studenterna fått om gravitation. För det andra, att det undre objektet innehar en passiv motståndsförmåga, som inte uppfattas som en kraft. Det övre objektet ansågs aktivt trycka på det undre, medan det undre objektet inte ansågs utöva någon kraft alls på det övre.

6

2.3 Variationsteorin

Ur ett variationsteoretiskt perspektiv betraktas lärande som en förändring i en människas sätt att uppfatta ett visst fenomen (Mårtensson, 2015). Detta kan innebära att urskilja något helt nytt eller något befintligt på ett ännu mer detaljerat, effektivt och kvalitativt sätt. Uppfattningar betraktas i det här sammanhanget som något en människa håller för självklart och därför inte reflekterar över (Larsson, 1986/2010). Vidare att det inte handlar om åsikter, vilket snarare innebär att välja mellan olika alternativ. Enligt fenomenografin som variationsteorin bygger vidare på, bör inte uppfattningar betraktas som felaktiga, utan snarare ofullständiga (Magnusson & Maunula, 2011). Inom skolpraktiken kan det dock finnas svar som är mer ”korrekta” och enligt författarna bör felsvaren då betraktas som del av fenomenet.

Inom variationsteorin finns några faktorer av stor betydelse för undervisning och lärande (Lo, 2014). För det första, medvetandets struktur, vilket beskriver vår förmåga att inte fokusera på allt samtidigt. Det möjliggör för oss att sätta vissa saker i förgrunden och andra i bakgrunden. Det innebär också att ett och samma fenomen upplevs olika beroende på vilka aspekter som fokuseras. För det andra, det som kallas den naturliga attityden. Elever bildar en egen uppfattning om hur världen är beskaffad, vilken ofta strider mot de vetenskapliga begrepp som läraren avser lära ut. Detta utgör ett hinder och det är av största vikt att läraren tar reda på vilka föreställningar eleverna har och inte utgår från sin egen naturliga attityd när undervisningen utformas. För det tredje, en människas ”sätt att erfara”. Det som eftersträvas är ett kraftfullt sätt att erfara, vilket innebär att kunna vara medveten om fler eller andra aspekter av ett fenomen än tidigare. För att öka elevernas förmåga att lösa problem måste läraren hjälpa dem att utveckla detta. Ett tecken på att detta har skett är att i en viss situation kunna fokusera på de för situationen relevanta aspekterna, och ha en så kallad ”relevansstruktur”. Slutligen, lyfter Lo (2014) upp det som kallas lärandeobjektets externa horisont. Innebörden av detta är att vår kunskap om ett objekt inte är begränsad till de delar vi kan se eller röra. Exempelvis, om vi befinner oss i en skog och ser ett par horn som rör sig, så förstår vi av vår erfarenhet och förkunskaper, att de sitter fast på en hjort och inte flyger runt i luften. Trots att fenomen bara delvis visar sig, uppfattas delarna som del av helheten, och lärandeobjektet får mening genom sin externa horisont. Lärande blir då att sammanfoga delar till en helhet.

7 Lärandeobjektet

Lärandeobjektet är ett centralt begrepp inom variationsteorin som besvarar frågan: Vad är det eleverna ska lära sig? (Marton, 2015). För ytterligare precision kan svaret formuleras utifrån innehåll, lärandemål och kritiska aspekter. Innehållet bestämmer vad som ska läras, till exempel Newtons rörelselagar, medan lärandemålet beskriver vad eleverna förväntas kunna göra med det innehåll som behandlas. Ska de kunna upprepa rörelselagarna eller också kunna tillämpa dem vid problemlösning? De två delarna, innehåll och lärandemål, kan också benämnas det direkta lärandeobjektet respektive det

indirekta lärandeobjektet (Mårtensson, 2015). Kritiska aspekter avser det som måste

urskiljas för nå lärandemålet och beskrivs längre fram i avsnittet.

Lärandeobjektet har en föränderlig natur och kan urskiljas som det planerade, det

iscensatta och det erfarna (Lo, 2014). Det planerade lärandeobjektet är det läraren på

förhand har förberett inför undervisningen. Under lektionens gång måste läraren anpassa undervisningens tempo och djup efter den respons som eleverna ger, vilket innebär att det iscensatta lärandeobjektet kan skilja sig från det planerade. Vad eleverna sedan lärde sig beror på vad de upplevde på lektionen. Detta kan skilja sig från elev till elev, vilket utmynnar i det erfarna lärandeobjektet. Lärare kan alltså inte förutsätta att eleverna uppfattar ett lärandeobjekt på det sätt som var planerat.

Metoden för det här arbetet är inspirerad av learning study, och beskrivs mer ingående i metodkapitlet. I en learning study väljs ett lärandeobjekt ut i förhållande till elevgruppen (Magnusson & Maunula, 2011). För att lärande ska ske och en elev ska förändra sin (ofullständiga) uppfattning kopplat till lärandeobjektet måste läraren veta vad som skiljer elevens uppfattning från den mer vetenskapligt accepterade. Vidare menar författarna att det därför inte bara går att ta hänsyn till ämneskunskaper och begrepp för att ringa in ett ämnesinnehåll i planeringen av undervisningen. Även de uppfattningar som finns bland eleverna, inklusive de ofullständiga, måste beaktas.

Kritiska aspekter

När lärare ska hjälpa elever lära sig något, bör de utgå från vad som ska läras, det vill säga lärandeobjektet (Marton, 2015). För varje lärandeobjekt och för varje elev finns det kritiska aspekter som måste urskiljas för att lärande ska äga rum. Marton exemplifierar vad som krävs för att urskiljande ska ske med ett barn som ska lära sig vad färgen grön innebär: Eftersom inget objekt eller fenomen har enbart en aspekt, går det inte att peka på en grön

8

gurka och förvänta sig att barnet ska förstå att ”grön” avser färgen grön. Det skulle lika gärna kunna innebära grönsak, avlång eller ”där borta”. I vissa fall har barnet upptäckt fenomenet grön utan att veta att det kallas så. Med hjälp av ett induktivt sätt, där det gemensamma framhålls genom många exempel, såsom en grön boll, en grön gardin o.s.v. kan barnet dra slutsatser om innebörden av grönt. På det här sättet har aspekten ”grön” som ska urskiljas fokuserats, genom att ha hållits invariant medan andra aspekter varierats. I andra fall är fenomenet helt nytt och då spelar det ingen roll hur många exempel som radas upp för barnet. Till exempel, om inte ”antalet två” har upptäckts, kan det inte upptäckas genom att få se par av äpplen, par av skor o.s.v. På samma sätt hade det inte hjälpt barnet att se ”grönhet”, oavsett hur många gröna föremål som radades upp. Enligt variationsteorin krävs det ett fokus på skillnader och inte på det gemensamma för att kunna urskilja något helt nytt (Marton, 2015). I en värld där allting är grönt skulle det krävas en annan färg för att upptäcka fenomenet ”färg”.

Anledningen till att människor kan uppfatta samma fenomen på olika sätt beror på vilka aspekter som fokuseras (Mårtensson, 2015). Detta innebär att en elev som uppnått en tillfredställande förståelse av lärandeobjektet har fått syn på alla nödvändiga aspekter, medan ofullständig förståelse beror på att någon aspekt ännu inte urskilts (Mårtensson, 2015). De aspekter som ännu inte urskilts är kritiska för just den eleven, eller elevgruppen. De kritiska aspekterna är föränderliga, vilket innebär att de upphör när lärande sker samt att de kan variera bland elevgrupper.

Variationsmönster

Jämfört med andra teorier, vilka framhåller betydelsen av att ge många exempel på samma sak för att lärande ska uppstå, betonar variationsteorin vikten av skillnader (Lo, 2014). För att en aspekt ska urskiljas, innebär det att samtidigt visa på åtminstone två saker som skiljer. I nästa steg kan likheter användas för att generalisera. För att iscensätta olika sorters medvetenhet kring fenomen skapas så kallade variationsmönster och det är då nödvändigt att vara uppmärksam på vad som varierar och vad som hålls invariant (Marton et al., 2004):

Kontrast. För att kunna erfara något måste det finnas något att jämföra med. Om vi ska

förstå vad antalet ”tre” innebär behöver det jämföras med vad det inte är, till exempel ”två” eller ”fyra”.

Generalisering. För att nå en fullständig förståelse för vad ”tre” är, måste vi uppleva olika

9

Separation. För att kunna uppleva en viss aspekt av något och för att separera den från

andra, måste den varieras medan andra aspekter hålls invarianta. För att illustrera detta används exemplet ”lära sig kasta en boll mot ett mål”. Aspekter som var för sig kan separeras och varieras är vinkeln och avståndet till målet, men även bollens storlek och tyngd. Om dessa aspekter tränas och urskiljs separat skapas en förberedelse för framtida prickkastningssituationer med olika förutsättningar.

Fusion. I vardagen förekommer sällan aspekter åtskilda. I exemplet med bollkastningen

måste alla aspekter tas i beräkning för att åstadkomma en mer holistisk syn på situationen. Därför måste alla aspekter upplevas på samma gång för att kunskapen ska kunna appliceras till föränderliga förutsättningar. Marton et al. (2004) anser att ett effektivt sätt att uppnå detta är att först separera och sedan sammanslå aspekterna, till skillnad från att aldrig separera dem.

Med detta poängterar Marton et al. (2004) att för att en person ska urskilja en aspekt måste den varieras. Exempelvis, för att uppleva en tonårstjej som ovanligt lång, måste vi ha erfarit att tonårstjejer vanligtvis är kortare. Denna erfarenhet härleds från en jämförelse mellan det vi upplever i stunden och det vi upplevt tidigare. Ett annat exempel är att vi upplever en viss färg i förhållande till färger vi upplevt tidigare. I dessa fall upplevs aspekter från olika tidpunkter på samma gång, vilket benämns diachronic simultaneity. I de fall där olika samexisterande aspekter upplevs på samma gång kallas det synchronic simultaneity. Slutligen resonerar författarna att alla dessa aspekter och erfarenheter ständigt finns i vårt medvetande, men att vi människor har en begränsad förmåga i det antal vi kan fokusera på samtidigt.

2.4 Tidigare forskning om undervisning med variationsteoretiskt perspektiv

I en studie testades undervisning av det matematiska innehållet algebra (Ting et al., 2017). Syftet var att pröva effekten av variationsteoretisk undervisning jämfört med konventionell, genom att mäta elevers ämneskunskaper i för- och eftertest, samt deras motivation. Två åttondeklasser med totalt 58 elever utgjorde experimentgrupp respektive kontrollgrupp. Resultatet visar att elever från båda grupperna förbättrade sig men med signifikant större ökning bland de som fått variationsteoretisk undervisning. Gällande effekten på motivationen framkommer inga skillnader. En annan studie undersökte olika variationsmönsters effekt på elevers lärande i att skilja på N3-kraftparet och

10

jämviktskrafter (Guo et al., 2017). Urvalet bestod av 351 femtonåriga elever, där vissa bedömdes ha genomsnittlig akademisk kunskapsnivå och andra över genomsnittlig nivå. Resultatet av studien visar att skillnaden på variationsmönster har mest betydelse för de eleverna med genomsnittlig kunskapsnivå. För dem var det mycket mer framgångsrikt när de kritiska aspekterna först varierades separat och sedan simultant i fusion, jämfört med när de enbart varierades separat. Eleverna med högre kunskapsnivå presterade likvärdigt med båda variationsmönster.

Till skillnad från Guo et al. (2017) såg Lau och Yuen (2012) att samma variationsmönster gynnar elever med olika starka förmågor i matematikämnet. I deras studie genomfördes en learning study av två matematiklärare i grundskolans senare år. Dels i en klass med konstnärlig inriktning, dels i en klass med naturvetenskaplig inriktning. Resultat från för- och eftertest visar att alla elever förbättrade sig. Konstnärseleverna presterade bättre på de uppgifter som bedömes vara enklare, medan naturvetenskapseleverna förbättrade sig på de svårare uppgifterna. Forskarna drar slutsatsen att undervisning med variationsmönster är ett sätt att individanpassa och nå elever med olika förmåga. I lärarnas reflektioner framkommer dessutom att de upplevde en egen professionsutveckling efter att ha genomfört en learning study. Innan hade de haft hög tilltro till sina egna ämneskunskaper men efteråt insett att de fått ett verktyg att utgå från elevernas missuppfattningar och förkunskaper. Förutom att ha utvecklat ett elevperspektiv såg de denna form av skolutvecklingsmetod som ett bra exempel på fortbildning. Elevperspektivets betydelse visar sig även i en svensk studie med variationsteoretiskt perspektiv (Olteanu & Olteanu, 2013). Under en treårsperiod undervisade 22 lärare olika lärandeobjekt i nio klasser från förskola till gymnasium med sammanlagt 884 elever. Syftet var att undersöka hur matematik kan kommuniceras effektivt i klassrummet. I studiens första fas utgick lärarna från egna erfarenheter för att skapa ett antagande av kritiska aspekter. Sedan, med hjälp av insamlade data i form av test och observationer, övergick de alltmer till att utgå från de verkliga kritiska aspekter som var specifika för deras elever när de planerade lektionerna. Detta visade sig vara framgångsrikt. Förutom förbättrade elevresultat, utvecklade lärarna en reflektionsförmåga i förhållande till undervisningen, vilket ledde till att deras utvecklade ämnesdidaktiska förmåga blev explicit och analytisk, snarare än intuitiv. Slutligen konstateras att en upprepande process, såsom en learning study, möjliggör för lärare att gemensamt diskutera och reflektera kring vad elever urskiljer och vilka variationsmönster som skapas i kommunikationen i klassrummet.

11

3. Syfte och frågeställningar

Syftet med den här studien är att undersöka hur undervisning med ett variationsteoretiskt perspektiv kan utformas för att utveckla elevers förståelse för Newtons tredje lag.

Detta syfte ämnas uppfyllas genom att besvara följande frågeställningar:

• Vilken kunskap och förståelse för kraft och rörelse visar eleverna före respektive efter undervisning?

• Vad behöver eleverna urskilja för att förstå interventionsstudiens lärandeobjekt? • Vilka variationsmönster möjliggör urskiljande av lärandeobjektets kritiska

12

4. Metod och material

Med en variationsteoretisk utgångspunkt får lärare stöd att fokusera på ett avgränsat innehåll och den förmåga eleverna ska utveckla (Bergqvist & Echevarría, 2011). Författarna lyfter även fram att variationsteorin hjälper lärare att resonera kring de svårigheter som förhindrar lärande. Därtill är den variationsteoretiska synen på lärande att det sker förändringar i en människas sätt att uppfatta ett visst fenomen, antingen genom att urskilja något helt nytt eller något befintligt på ett mer detaljerat eller mer effektivt och kvalitativt sätt (Mårtensson, 2015). Detta gjorde variationsteorin lämplig för studiens syfte och frågeställningar samt skapade en möjlighet att bygga vidare på tidigare utförd litteraturstudie (Holmbom & Werneskog, 2019).

Metoden som valdes var en interventionsstudie inspirerad av learning study. En learning study utgår från variationsteorin och från relationen mellan innehållet i undervisningen och elevernas lärande (Hirsh, 2017). Intresset riktas mot vad eleverna ska lära, vad det innebär att kunna det som avses samt hur undervisning kan möjliggöra lärandet (Runesson, 2011). En learning study är uppbyggd i en cykliskt upprepande process och består av delarna: lärandeobjekt, förtest, planering och genomförande av lektioner samt eftertest (Hirsh, 2017). Denna process illustreras i figur 1 och delarna beskrivs mer ingående under respektive del i avsnittet 4.3 Materialinsamling och analys.

Figur 1. En illustration över processen i en learning study och de olika delar som ingår (efter Häggström

13

Förtestet i en learning study används för utvärdering av elevers lärande och för att precisera lärandeobjektet, men även för att identifiera kritiska aspekter för de aktuella eleverna (Bergqvist & Echevarría, 2011). Eftersom det i tidigare nämnd litteraturstudie (Holmbom & Werneskog, 2019) inte kunde påträffas någon forskning för yngre elevers svårigheter att förstå Newtons tredje lag, talade det sistnämnda ytterligare för att en interventionsstudie inspirerad av learning study var ett lämpligt metodval för detta arbete. I en uppföljande litteratursökning framkom inga tillägg inom detta fält. Skillnaden mellan den här interventionsstudien och en learning study är att den inte utfördes av en grupp lärare och forskare, utan av en person som agerade både forskare och undervisande lärare. I denna uppsats benämns denna person hädanefter som forskaren. Studien anpassades efter examensarbetets tidsram, vilket är kortare än vad en learning study vanligtvis är.

4.2 Urval

I studien deltog 41 elever i årskurs 6, vilka var fördelade på tre klasser. Skolan, en grundskola med 400 elever i en större svensk stad, valdes enligt ett bekvämlighetkriterium. Det innebär att forskaren använder sig av deltagare som finns nära tillgängliga (Bryman, 2011). I det här fallet var den aktuella skolan vid tre tillfällen platsen för forskarens verksamhetsförlagda utbildning. Eftersom ämnesinnehållet Newtons tredje lag är svårt att förstå (se tidigare forskning, avsnitt 2.2)genomfördes studien i årskurs 6 istället för årkurs 4 eller 5. Detta kan ses som ett målstyrt urval, vilket innebär ett försök att matcha urvalet med forskningsfrågorna (Bryman, 2011). Enligt elevernas lärare hade klasserna inte fått undervisning om Newtons tredje lag i någon större utsträckning före den här studien. Hen beskrev att undervisningen baserats på läromedlet Koll på NO 6, Biologi Fysik Kemi (Hjernquist & Rudstedt, 2013). Där behandlas bland annat att rörelse uppkommer genom påverkan av krafter samt gravitations- och friktionskrafter. Kraft och motkraft lyfts kortfattat fram i slutet. I tillägg till läromedlet hade eleverna även mött det experimentbaserade materialet NTA - Rörelse och konstruktion (NTA Utveckling, 2010). Enligt materialets lärarhandledning behandlas Newtons första och andra lag, men inte Newtons tredje lag, i de experiment som eleverna får möta. Ett bortfall uppstod dels på grund av utebliven samtyckesblankett, dels på grund av den höga sjukfrånvaro som orsakades av den rådande pandemin. De elever som inte närvarade vid studiens samtliga tre delar (förtest, lektion, eftertest) uteslöts. De tre klasserna som deltog i studien består vanligtvis av totalt 63 elever.

14

4.3 Materialinsamling och analys

Materialinsamlingen bestod av för- och eftertest samt tre lektioner med tillhörande exit-ticket. En exit-ticket är ett verktyg för lärare att utvärdera undervisning i slutet av lektionen, vilket kan ske skriftligt eller muntligt, med hjälp av analoga eller digitala verktyg. De tre lektionerna videoinspelades för att kunna observeras i efterhand.

I materialanalysen användes ett variationsteoretiskt ramverk för att analysera det insamlade materialet. Det innebär att analysen fokuseras på variationsmönstren och huruvida eleverna urskilt de kritiska aspekterna, samt om lärande uppstått i förhållande till lärandeobjektet (Lo, 2014). Således fokuseras inte på andra faktorer i undervisningskontexten, såsom tekniska aspekter eller lärarens personliga egenskaper.

Förtest

Förtestet konstruerades utifrån identifierade svårigheter som sökts fram i forskning och litteratur samt utifrån uppgifter från tidigare nationella prov i fysik för åk 6. Se tabell 1 nedan för detaljer. Förtestet finns bifogat i bilaga 2.

Tabell 1. Översikt över förtestet där bakgrund och utformning av testuppgifterna beskrivs närmre.

Uppgift Bakgrund till uppgift Uppgiftsbeskrivning 1 Förståelse för elevernas kunskap om kraft – friktionskraft

och gravitationskraft.

Markera den kraft (gravitationskraft eller friktionskraft) som påverkar varje händelse mest.

Ämnesprov, läsår 2014/2015, Delprov C, Fysik (Skolverket, 2017b).

2 Svårighet identifierad i forskning:

- Det övre objektet utövar sin tyngdkraft på det undre objektet. Det undre objektet innehar en passiv

motståndsförmåga, som inte uppfattas som en kraft. Det övre objektet anses aktivt trycka på det undre, medan det undre objektet inte anses utöva någon kraft på det övre (Montanero, 2002).

Var uppstår den kraft som gör att boken ligger kvar på bordet?

(Andersson, 2008).

3 Svårighet identifierad i forskning:

- Förstå att krafter uppstår i interaktion mellan två objekt (Brown & Clement, 1987).

Vad får bilen att åka framåt? (Östklint et al., 2012).

15

4 Svårigheter identifierade i forskning:

- Kraft som naturlig eller förvärvad egenskap

(Bayraktar, 2009; Brown & Clement, 1987; Hestenes et al., 1992).

- Kraften blir större desto starkare, tyngre, snabbare eller mer aktivt objektet är (Hestenes et al., 1992).

- Förstå att krafter uppstår i interaktion mellan två objekt (Brown & Clement, 1987).

- Det ena objektet orsakar kraft och det andra påverkas. Istället för att se krafter som jämlika och motsatta i riktning, förutsätts det att det ena objektet är en aktiv agent som verkar på det andra objektet, patienten (White, 2006).

Sant eller falskt? Påståenden om kraft och motkraft. (Östklint et al., 2012).

5 Svårigheter identifierade i forskning:

- Massa som kontext påverkar. Elever tror att bara den lättaste personen påverkas när de knuffar på varandra (Terry & Jones, 1986).

- Kraften blir större desto starkare, tyngre, snabbare eller mer aktivt objektet är (Hestenes et al., 1992).

- Förstå att krafter uppstår i interaktion mellan två objekt (Brown & Clement, 1987).

Vad händer när två personer på rullskridskor, med lika stor massa respektive olika stor massa, puttar på varandra? (Terry & Jones, 1986).

6 Svårighet identifierad i forskning:

- Förstå att krafter uppstår i interaktion mellan två objekt (Brown & Clement, 1987).

Förståelse för elevernas kunskap om friktionskraft.

Varför går det olika fort att åka på olika material nedför en rutschkana?

Ämnesprov, läsår 2012/2013, Delprov C, Fysik (Skolverket, 2016).

7 Förståelse för elevernas kunskap om tröghetslagen,

Newtons första lag3_. Förklara varför Stina ramlar _{framåt när hon står i en buss} som tvärbromsas.

Ämnesprov, läsår 2012/2013, Delprov C, Fysik (Skolverket, 2016).

Eleverna fick testet i pappersformat och det besvarades individuellt. Det fanns ingen tidsbegränsning och alla var klara inom 20 minuter. Frågan om det var möjligt att välja flera alternativ på uppgift 3 uppkom, vilket besvarades jakande. För att inte skapa oro

3 Newtons första lag kallas även tröghetslagen och beskriver att varje kropp förblir i vila eller rörelse med konstant fart längs en rät linje om den inte påverkas av en obalanserad kraft (Andersson, 2008).

16

informerades eleverna om att testet inte skulle påverka betygssättningen, men de ombads ändå att ta det på allvar.

I en learning study har som nämnts, förtestet flera användningsområden. Initialt används det för att precisera studiens lärandeobjekt och skapa en grund för att identifiera kritiska aspekter för den aktuella elevgruppen. Eftersom studien avgränsades med ett preciserat lärandeobjekt uteslöts förtestets uppgifter 2, 5 och 7 från vidare analys.

De kvarvarande uppgifterna sammanställdes och analyserades enligt följande: Uppgift 1 och 4 bedömdes utifrån rätt eller fel svar. För uppgift 3 sammanställdes svarsfrekvensen för respektive alternativ. För uppgift 6 användes tillhörande bedömningsanvisning eftersom uppgiften hämtades från tidigare nationella prov i fysik (Skolverket, 2016). Där definieras följande kategorier för att bedöma nivån på elevernas svar:

• Saknar belägg.

• Svaret tar upp materialens glidförmåga utan tydlig koppling till friktion/motstånd. • Svaret uttrycker motstånd/friktion som materialets förmåga att göra motstånd. Det

framgår inte tydligt att friktionen är mellan rutschkanan och materialet.

• Svaret tar upp motstånd/friktion som ett fenomen mellan rutschkanan och de olika materialen.

Lektionsdesign – det iscensatta lärandeobjektet

Lektionsdesignen byggdes upp av moment med variationsmönster i syfte att skapa möjlighet för eleverna att urskilja de kritiska aspekter som identifierades i förtestet. Variationsmönstren iscensattes med demonstrationer vilka aktiverade flera av elevernas sinnen. Detta gjordes i linje med kursplanen i fysik och tillhörande kommentarmaterial där det beskrivs att ”eleverna ska få använda alla sinnen i sina observationer genom

innehållet krafter och rörelser i vardagssituationer och hur de upplevs och kan beskrivas”

(Skolverket, 2017b, s. 23). Se lektionsdesign i kapitel 5.2.

Den efterföljande lektionsanalysen grundades på granskning av videoinspelningar av lektionerna och de exit-tickets som eleverna skrev för hand. I videogranskningen kontrollerades om lektionen genomförts enligt planering eller om avvikelser uppstått. Det som noterades var forskarens framställan, vilka begrepp och formuleringar som användes samt om de tänkta variationsmönstren genomförts. I tillägg noterades eventuella

17

elevyttranden som framkom i diskussioner under lektionerna. Exit-ticket bedömdes i likhet med bedömningsanvisningen för U6 från det Nationella Provet, Delprov C Fysik 2012/2013 (Skolverket, 2016), vilken utgick från att friktionskraft uppstår mellan två objekt med koppling till hur rörelser i vardagssituationer uppstår. Elevernas svar färgkodades och kategoriserades enligt följande:

• Svaret fokuserar på annat, till exempel komfort, känsla eller upplevelse.

• Svaret tar upp begrepp som kraft/friktion/underlag utan tydlig koppling till att kraft uppstår mellan däck och underlag/väg.

• Svaret tar upp att kraft uppstår mellan däck och underlag/väg.

I enlighet med learning study utformades lektion 2 med hjälp av analys från lektion 1 och lektion 3 utifrån analys av lektion 2.

Eftertest

Eftertestet utformades för att vara jämförbart med förtestet. De förtestuppgifter som valdes ut för att avgränsa lärandeobjektet och identifiera kritiska aspekter användes även i eftertestet (se bilaga 3). Uppgift 3, vilken var en flervalsuppgift, utökades med en del där eleverna skulle formulera en egen förklaring till fenomenet. Detta gjordes för att ytterligare kunna analysera om eleverna visade förståelse för interventionsstudiens lärandeobjekt och arbetets syfte. Uppgift 8, där eleverna skulle beskriva innebörden av Newtons tredje lag, var ytterligare ett tillägg. Eftertestet genomfördes cirka fem veckor efter förtestet, vilket var veckan efter att undervisningen ägt rum. Det bedömdes och analyserades med samma tillvägagångssätt som förtestet.

18

4.4 Tillförlitlighet

Det finns fyra delkriterier som tillsammans bidrar till tillförlitlighet för kvalitativ forskning: trovärdighet, överförbarhet, pålitlighet samt möjlighet att styrka och

konfirmera (Bryman, 2011). För att uppfylla trovärdighetskriteriet utfördes studien enligt

uppställda regler och rapporterades till verksamma på området för att bekräfta att den utförts korrekt. Genomförandet är beskrivet i metod- och resultatkapitlet. Det andra kriteriet, överförbarhet, beskriver hur väl resultat kan överföras till en annan kontext, situation eller tidpunkt. Förutsättningarna för studien, såsom urval, materialutformning och analys redovisas i arbetet. Dock, ligger det i teorins natur att kritiska aspekter är situationsbundna till de specifika eleverna och deras kunskapsutveckling. Det tredje kriteriet är pålitlighet vilket innebär att varje steg i processen är tydligt dokumenterad. För- och eftertestets utformning och resultat redovisas i arbetet. Varje lektion filmades och granskades, och skriftliga exit-tickets samlades in för respektive elev i anknytning till lektionstillfället. Det fjärde och sista kriteriet är möjlighet att styrka och konfirmera, vilket betyder att forskaren försöker säkerställa att inga personliga eller teoretiska inriktningar på ett medvetet sätt har påverkat undersökningen.

4.5 Forskningsetiska aspekter

Informationskravet, samtyckeskravet, konfidentialitetskravet och nyttjandekravet är några

av de principer som är gällande för svensk forskning (Bryman, 2011). Den samtyckesblankett (se bilaga 1) som gick ut till elevernas vårdnadshavare inför arbetet informerade om studiens syfte samt att deltagandet var frivilligt med rätten att när som helst avbryta det. Eftersom eleverna var minderåriga uppfylldes samtyckeskravet genom deras vårdnadshavares godkännande. De personuppgifter som förekom var elevers namn på för- och eftertest. På samtyckesblanketterna fanns både elevers och vårdnadshavares namn med. För att uppfylla konfidentialitetskravet omkodades namnen på test och resultatsammanställningar, medan samtyckesblanketterna förvaras utan åtkomst för obehöriga. Nyttjandekravet uppfylldes genom att uppgifter om enskilda personer endast kan användas för forskningsändamål.

19

5. Resultat

Ett resultat av en learning study består av flera delar och därför är det här kapitlet strukturerat utifrån dessa, i kronologisk ordning. Förtestavsnittet inleds med en beskrivning av det preciserade lärandeobjektet, följt av förtestresultat och den analys som ledde fram till de första identifierade kritiska aspekterna. Därefter beskrivs lektionsdesign, lektionsanalys samt diskussion av lektion 1, lektion 2 respektive lektion 3, vilket benämns

det erfarna lärandeobjektet. I designen ingår de variationsmönster som skapades för att ge

eleverna möjlighet att urskilja de kritiska aspekterna. Slutligen jämförs resultaten från för- och eftertest för att belysa skillnaderna i elevernas visade kunskap och förståelse före och efter undervisningen och därmed besvaras den första forskningsfrågan. I syfte att besvara de övriga två forskningsfrågorna avslutas kapitlet med att tolka resultatskillnaden från för- och eftertest för att relatera till de slutliga kritiska aspekter och variationsmönster som, inom ramen för den här studien, identifierades respektive utformades.

5.1 Förtest

Preciserat lärandeobjekt

Efter en sammanställning av förtestsresultatet avgränsades studien genom att lärandeobjektet preciserades till det direkta lärandeobjektet ”friktionskraft och rörelse i vardagshändelser” och det indirekta lärandeobjektet ”förmågan att beskriva hur kraft och motkraft förändrar objekts rörelse i vardagssituationer”. Lärandeobjektet formulerades i linje med kursplanens kunskapskrav vilka beskriver de förmågor eleven ska utveckla i förhållande till det centrala innehållet: Eleven har […]4 _{kunskaper om fysikaliska fenomen} och visar det genom […] användning av fysikens begrepp. I […] underbyggda resonemang om rörelser kan eleven relatera till några fysikaliska samband (Skolverket, 2019).

4 _{Värdeorden som beskriver med vilken skillnad eleven visar sin förmåga har utelämnats. De definieras i de} olika betygsnivåerna E, C och A.

20 Förtestresultat

Resultatet för de förtestuppgifter som är relevanta för lärandeobjektet presenteras i denna tabell. Resterande förtestuppgifters resultat redovisas inte.

Tabell 2. Sammanställning av förtestresultatet. Den inkluderar de uppgifter som analyserades utifrån det preciserade lärandeobjektet (U2, U5 och U7 redovisas inte).

UPPGIFT GRUPP 1 GRUPP 2 GRUPP 3 TOTALT

antal 13 % 12 % 16 % 41 %

U1. Gravitation eller friktion?

a) Äpple faller från trädet (G) _{13 100 % 11 92 % 16 100 % 40 98 %}

b) Tyngdlyftare lyfter skivstång (G) _{5 38 % 10 83 % 13 81 % 28 68 %}

c) Bil sladdar på väg (F) _{11 85 % 10 83 % 16 100 % 37 90 %}

d) Bräda som sandpappras (F) _{10 77 % 11 92 % 15 94 % 36 88%}

e) Kullager gör så något rullar lätt (F) _{10 77 % 11 92 % 14 88 % 35 85 %}

f) Månens bana runt jorden (G) _{13 100 % 11 92 % 14 88 % 38 93 %}

U3. Vad får bilen att åka framåt?

- Motorn _{13 100 % 12 100 % 16 100 % 41 100 %}

- Vägen _{1 8 % 0 0 % 1 6 % 2 5 %}

- Föraren _{0 0 % 0 0 % 13 81 % 13 32 %}

- Annat: Skriv själv _{0 0 % 0 0 % 6 38 % 6 15 %}

U4. Sant eller falskt? (alla sanna)

a) Jorden och du _{9 69 % 6 50 % 3 19 % 18 43 %}

b) Geväret och kulan _{9 69 % 8 67 % 10 63 % 28 68 %}

c) Handen och väggen _{6 46 % 4 33 % 6 38 % 16 39 %}

d) Raketen och avgaserna _{9 69 % 9 75 % 11 69 % 29 71 %}

e) När du bromsar din cykel _{4 31 % 1 8 % 3 19 % 8 20 %}

f) Vägen och du _{0 0 % 2 17 % 0 0 % 2 5 %}

U6. Rutschkanan och olika materials snabbhet

Saknar belägg _{3 23 % 2 17 % 1 6 % 6 15 %}

Svaret tar upp materialens glidförmåga utan

tydlig koppling till friktion/motstånd. 5 38 % 3 25 % 2 13 % 10 24 %

Svaret uttrycker motstånd/friktion som

materialets förmåga att göra motstånd. Det

framgår inte tydligt att friktionen är mellan rutschkanan och materialet.

2 15 % 4 33 % 11 25 % 17 41 %

Svaret tar upp motstånd/friktion som ett fenomen mellan rutschkanan och de olika materialen.

21 Kritiska aspekter

Här följer analysen av förtestresultatet, i vilken de kritiska aspekterna identifierandes. Testuppgifterna benämns med U och tillhörande siffra (Uppgift 1= U1 o.s.v.). Se förtest i bilaga 2.De fyra kritiska aspekterna som identifierades med hjälp av förtestet var:

• Urskilja att krafter uppstår i interaktionen mellan två objekt. • Urskilja att ett av objekten kan utgöras av underlaget.

• Urskilja jämlikhet mellan objekten människa och ”icke-levande” föremål i

kraftsituationer.

• Urskilja att rörelse förklaras genom en obalans av krafter

Mellan 35 och 40 av de 41 eleverna (85–98 %) kunde identifiera den mest påverkande kraften (friktion eller gravitation) i fem av sex givna händelser i U1. I U6 använde fler än hälften av eleverna begreppet friktion eller motstånd när de skulle förklara olika materials snabbhet i en rutschkana och ytterligare en fjärdedel tog upp materialens glidförmåga. Innebörden av friktion tycktes vara bekant för många och bedömdes inte som en kritisk aspekt.

Vidare analys av U6 (rutschkanan) visade att bara 8 av 41 elever (20 %) tog upp motstånd/friktion som ett fenomen mellan rutschkanan och de olika materialen. I U3 kunde flera alternativ ringas in för att förklara en bils rörelse. Det var endast 2 elever (5 %) som angav ”vägen” som orsak till att bilen rör sig framåt. Samtliga ringade in alternativet ”motorn”, vilket överensstämmer med det de flesta människor spontant svarar trots att motorn enbart driver hjulen (Östklint et al., 2012). Under alternativet ”annat” var det 6 elever (15 %) som skrev att det var däcken. I U4 skulle eleverna ta ställning till sex påståenden om kraft och motkraft vilka alla var sanna. Som flest var det 28 respektive 29 av 41 elever (ca 70 %) som höll ett visst påstående som sant. Det var påståendena om geväret/kulan och raketen/avgaserna. Bara 16 respektive 18 elever (ca 40 %) trodde det var sant att ”väggens kraft tillbaka på en hand som slår i väggen, är lika stor som handens” samt att ”en människa har lika stor dragningskraft på jorden, som jorden på människan”. Endast 2 elever (5 %) trodde att ”vägen trycker en framåt när man går” och 8 elever (20 %) att ”marken sätter stopp när man bromsar en cykel”. Sammantaget talade dessa resultat för att den kritiska aspekten, urskilja att krafter uppstår i interaktionen mellan två objekt, fanns hos elevgruppen.

22

I U3 (bilen) och U6 (rutschkanan) var underlaget det objekt som stod för motkraften och detta verkade inte eleverna uppfatta. Vidare var det de två uppgifter som innehöll underlaget väg i U4 som flest elever förhöll sig felaktigt till. Därav blev underlaget aktuellt att fokusera på som en ”underaspekt” till ovanstående kritiska aspekt: urskilja att ett av

objekten kan utgöras av underlaget.

I U4 framkom en skillnad i elevernas benägenhet att hålla påståendena som sanna eller falska beroende på påståendets natur. Av de fyra påståenden som riktade sig till eleven genom exempelvis ”kraften på din hand” eller ”vägen trycker dig” var det större andel av de 41 eleverna som trodde dessa var falska. Som nämnts var det bara 2 elever (5%) som trodde att ”vägen puttar en framåt när man går”, 8 elever (20 %) som trodde att ”marken sätter stopp när man bromsar en cykel” och knappt 20 elever (ca 40 %) som trodde att ”deras dragningskraft på jorden var lika stor tillbaka” samt att ”väggens kraft var lika stor tillbaka när du slår handen i den”. Däremot var det närmare 30 elever (ca 70 %) som höll påståendena om gevär/kula och raket/avgaser för sanna. Detta skulle kunna vara en bekräftelse på den svårighet som framkommit i forskning; nämligen att det ena objektet orsakar kraft och det andra påverkas. I stället för att se krafter som jämlika och motsatta i riktning, så förutsätter människor att det ena objektet är en ”aktiv agent” som verkar på det andra objektet ”patienten” (White, 2006). I linje med detta tror många att kraften blir större desto starkare, tyngre, snabbare eller mer aktivt ett objekt är (Hestenes et al., 1992). Det skulle kunna tänkas att eleverna uppfattade sig själva (människor) mer aktiva och därför inte såg någon jämlikhet mellan krafterna eller objekten i påståendena.

Urskilja jämlikhet mellan människa och ”icke-levande” föremål bedömdes därför vara en

kritisk aspekt.

Vid analysen av förtestet reflekterades det kring hur uppgifterna valts ut och konstruerats. Möjligen skulle en uppgift i förtestet där eleverna ombads beskriva hur rörelser överhuvudtaget uppkommer ha gett mer information om elevernas förförståelse kring detta och huruvida de uppfattade att det behövs kraft för att åstadkomma förändrad rörelse. Relationen mellan kraft och rörelse behandlades mer implicit, vilket identifierades som en möjlig kritisk aspekt. Den kritiska aspekten urskilja att rörelser förklaras genom en

23

5.2 Lektion 1

Lektion 1 designades för att iscensätta lärandeobjektet med variationsmönster (VM) som skulle ge eleverna möjlighet att urskilja kritiska aspekter (KA).

Lektionsdesign - det iscensatta lärandeobjektet INLEDNING

Inledande helklassdiskussion kring hur rörelse uppkommer för att fånga upp elevgruppens förförståelse kring denna eventuella kritiska aspekt: Urskilja att rörelser

förklaras genom en obalans av krafter.

MOMENT 1

KA: Urskilja att rörelseförändringar förklaras genom en obalans av krafter. Exempel: Ett objekt A (mjölkkartong).

VM Kontrast: Objekt A i rörelse jämförs med vad det inte är - ett objekt A i vila.

VM Separation: Aspekten rörelseförändringen separeras. Objekt A i rörelse är invariant och typen av kraftförändringarna varieras (det dras, puttas, blåser och faller).

MOMENT 2

KA: Urskilja att krafter uppstår i interaktionen mellan två objekt (A & B) KA: Urskilja att ett av objekten kan utgöras av underlaget.

Exempel: Ett objekt A som rör sig (batteridriven bil med ”motor”). VM Separation: Objekt B (underlaget) separeras.

Objektet A (bil) är invariant. Objekt B (underlaget) varieras.

(Bilen körs på ”väg”, ”i luften” och på is med olika resultat i rörelseförändring).

MOMENT 3

KA: Urskilja att krafter uppstår i interaktionen mellan två objekt (A & B). KA: Urskilja att ett av objekten kan utgöras av underlaget.

KA: Urskilja jämlikhet mellan människa och ”icke-levande” föremål i kraftsituationer. Exempel: Ett objekt A (elevernas) fötter som ska promenera/sättas i rörelse.

VM Generalisering: De olika underlagen hålls invarianta medan sammanhanget varieras från moment 2, från bil till elevernas fötter.

24 VM Separation: Objekt B (underlaget) separeras.

Objektet A (fötterna) är invarianta. Objekt B (underlaget) varieras. (Eleverna får ta sig fram på yogamatta, ”i luften” och på filt).

Diskussion: Vad krävs för rörelse? Vad är den gemensamma nämnaren?

Genomgång: Beskriver hur det fungerar genom att rita upp interaktionen däck/fot och de olika underlagen. Introducerar begreppen kraft/motkraft, Newtons tredje lag och lyfter fram friktionskraft.

Generaliserar kort till annat sammanhang för att ge exempel på Newtons tredje lag, kraft/motkraft: När handen slår i bänken med en viss kraft, är bänkens kraft på handen lika stor tillbaka.

AVSLUTNING

Exit-ticket: ”Vilken väg (asfaltsväg eller grusväg) går bäst att cykla på och varför? Syftet är att få underlag för analys av lektionen för eventuell revidering inför lektion 2 som sker i annan grupp.

Lektionsanalys

Analysen av lektionen visade att momenten och variationsmönstren genomfördes som planerat. Enligt elevernas lärare är det en tyst grupp, vilket visade sig i diskussionerna. Det var ingen elev som gjorde något inlägg kring hur rörelser uppkommer. Vidare uttrycktes inga tankar kring varför bilen rörde sig eller inte rörde sig, eller att underlaget är en faktor. Under diskussionen krävdes det ledande frågor kring bilens och elevernas rörelse för att föra samtalet framåt: ”Gick det att röra sig framåt på alla underlag?”, ”Var det samma

sak att gå på yogamattan som på filten?”, ”Underlaget verkar ha betydelse…?”, ”Jag inledde lektionen med att prata om vad som behövs för att något ska röra sig…” samt ”Vad kallas den kraft som har med underlag att göra?”. En elev uttryckte att det inte gick

att röra sig i luften på grund av att händerna satt fast i bordet (eleverna ”hängde” mellan två bord för att simulera promenad ”i luften”). En annan elev svarade gravitation som den kraft som påverkade deras rörelse på de olika stationerna. En elev beskrev skillnaden på väg och is som att det var halare och dåligt grepp. Begrepp som forskaren nämnde under lektionen var: kraft, motstånd, friktion, Newtons tredje lag, kraft och motkraft samt kraft

25 Det erfarna lärandeobjektet – lektion 1

Den exit-ticket som genomfördes i slutet av lektionen hade frågeformuleringen ”Vilken väg, asfaltsväg eller grusväg, går bäst att cykla på och varför?”. Av 13 elever fokuserade 3 elever enbart på upplevelsen att cykla på dessa olika underlag. De framhöll vägarnas egenskaper såsom (rak, platt), komforten att cykla på dem (jobbigt, skönare, lättare att styra) samt hastigheten (snabbare). Ytterligare 3 elever tog delvis med sådana faktorer, men lyfte också upp begrepp som friktion, grepp och underlag. Enbart 5 (<50 %) av 13 hade svar som tydde på att de hade urskilt kritiska aspekter och närmat sig förståelse för studiens lärandeobjekt. De aspekterna var att referera till friktionskraften, däck och underlag som objekt, att koppla svaret till cykelns rörelse eller att uttrycka en interaktion mellan de båda objekten. Exempel på dessa elevers formuleringar var ”När hjulet snurrar

på ’kornen’ (gruskornen) så rörs ’kornen’ istället för hjulet…” och ”För att (asfalts)vägen har bättre friktion och då puttar cykeldäcket på vägen så att cykeln rör sig framåt”.

Efter lektionsanalysen togs inga kritiska aspekter bort och inga nya lades till. Det bedömdes att det skulle behövas mer underlag för att avgöra detta. Variationsmönstren verkade ha fungerat tillfredsställande då cirka hälften av eleverna visade sig ha närmat sig förståelse för studiens lärandeobjekt. Inga moment eller variationsmönster förändrades till lektion 2 vilken genomfördes i en ny elevgrupp. Däremot ändrades formuleringen av exit-ticket till följande: Förklara hur en cykel kan röra sig framåt, vad krävs? Vad blir det för

skillnad mellan att cykla på en asfalterad väg jämfört med en grusväg? Syftet med detta

var att få eleverna att fokusera på de fysikaliska aspekterna och inte den egna upplevelsen.

5.3 Lektion 2

Lektionsanalys

Det som ändrades inför lektion 2 jämfört med lektion 1 var som nämnts, formuleringen av exit-ticket. Granskningen av videoinspelningen visade att forskaren undervisade enligt den lektionsdesign som var planerad (se lektionsdesign i avsnitt 5.2). Inte heller i denna grupp var det någon elev som yttrade sig kring hur rörelse uppkommer. I diskussioner under lektionen var det en elev som trodde bilen skulle kunna åka framåt i luften och inledde ett resonemang om att ”den kan putta luften bakom sig som en raket”. När det gällde upplevelsen av att gå på de olika underlagen sa en elev att det var ”bättre fäste på

26 Det erfarna lärandeobjektet – lektion 2

I analysen av exit-tickets framkom att fler från elevgrupp 2, jämfört med elevgrupp 1, fokuserade på den fysikaliska aspekten istället för sin egen upplevelse av att cykla på asfalt och grus. Det tyder på att den ändrade formuleringen fungerade mer ändamålsenligt. Av 12 elever beskrev 9 att kraft uppstår mellan väg och däck, exempelvis ”hjulet trycker mot

marken och marken trycker tillbaka med lika stor kraft” och ”det skapas friktion när cykelns hjul trycker ifrån mot underlaget”. Av dessa 9 använde 7 elever begreppen

kraft/friktion/lika stor kraft åt båda håll. Det var 3 elever som tog upp något av begreppen underlag, friktion och/eller grepp utan att hänvisa till att kraft uppstår mellan objekten, såsom ”en kraft skjuter däcket framåt” och ”det måste finnas något som cykelns hjul kan

greppa”. Totalt var det 3 elever som även inkluderade något om upplevelsen att cykla på

de olika underlagen i sina svar, till exempel ”det går fortare […] massa småsten i vägen” och ”guppigt och knöligt”.

Inga nya kritiska aspekter identifierades. Eftersom majoriteten av eleverna visade förståelse för lärandeobjektet verkar lektionsmoment och variationsmönster ha fungerat. Inför lektion 3 togs dock underlaget “luft” bort från variationsmönstret i moment 2 och 3, på grund av att det verkade ha skapat förvirring för eleverna i lektion 1 och 2. En elev trodde bilen skulle kunna åka i luften när den släpptes och en annan elev sa att det var på grund av att händerna satt fast i bordet som de inte kunde ta sig fram på underlaget “luft”. 5.4 Lektion 3

Lektionsanalys

Granskningen av videoinspelningen visade att forskaren undervisade enligt den lektionsdesign som var planerad (se lektionsdesign i avsnitt 5.2), med undantag för att underlaget ”luft” togs bort från variationsmönstret i moment 2 och 3. I den inledande diskussionen var det flera elever som yttrade sig kring frågan om uppkomsten till rörelse än i tidigare grupper: ”signaler skickas från hjärnan till olika delar av kroppen”, ”det kan

blåsa”, ”en motor” och ”jag tror det handlar om friktion och dragningskraft”. I moment

2 sa en elev att bilen skulle röra sig framåt på vägen ”eftersom motorn skulle driva hjulen”. I resonemang kring varför bilen inte rör sig på isen yttrade en elev ”det är på grund av

friktionen, allting är halt. Det är lite friktion” och en annan ”det kan också bero på att det är glidigt”. Under genomgången tog elever upp Isac Newton kopplat till kraft och det som